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利用MFLI锁相放大器和NV色心进行亚微开尔文温度传感研究

简介：

利用MFLI锁相放大器和NV色心结合MFC技术，进行亚微开尔文温度传感研究。

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背景介绍相关原理实验系统实验结果苏黎世锁相的优势相关产品

背景介绍

背景介绍

随着量子技术的发展，越来越多的行业都开始涉足量子领域。例如通信，计算机，医疗，传感领域等。NV色心由于其在正常条件下的多模态传感能力，依赖其超长的退相干时间，变成量子领域的弄潮儿。如何提高依托NV色心为载体的传感器的性能，于是成为热门的研究领域。NV色心依据其描述自身的哈密顿量，可以作为磁场，应力的传感器。其中技术最成熟的是作为磁场的传感器，有相关研究证实，依靠复杂的脉冲序列可以让NV色心的磁场极限灵敏度达到fT/Hz^0.5量级。但是作为温度，应力的传感器研究还较为青稚。主要原因还是在于NV色心的能级分裂变化对磁场更为敏感，除非是在高应力环境下的NV色心，一般情况下应力带来的能级分裂变化的范围都小于1Mhz，这在磁场的研究中可以忽略。那么将NV色心作为温度和应力的传感器，可以想到最终还是需要借助磁场这个中间量。

相关原理

NV色心

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图1.(a)NV色心晶体结构示意图，(b)能级图

NV色心是一种优秀的量子比特载体，金刚石内部的其中一个碳原子被氮原子取代，附近具有一个空位。NV色心的泵浦辐射形式，可以用二能级系统描述。处于基态的电子在零磁场的情况下，±1态处于兼并状态。0态和±1态产生自然的共振劈裂，劈裂的能级差正好等于微波频率2.87Ghz。在基态和激发态之间存在两种不同的能级跃迁模式竞争，一种是辐射跃迁，一种是无辐射跃迁。其中辐射跃迁在零基态受到泵浦光激发到激发态再回到基态的过程中概率最大，而非辐射跃在±1基态被激光激发到激发态再回到基态的过程概率最大。可以想象，如果用一个不断频率变化的微波频率扫描NV色心的话，那么当微波的能量满足0态到±1态的能级差的时候，光学读出的光电流信号会降低，如果磁场方向为[1,0,0]这种坐标向量，那么在非零磁场环境下，光学读出的测试结果谱图中会出现两个凹陷下去的峰。两个峰的频率差包含了磁场的强度信息。

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图2：磁场方向沿坐标轴矢量的NV色心ODMR谱图

MFC技术（磁通量聚集器）

前面提到NV色心用于温度场传感，需要借助磁场作为中间量。那么寻找可以联系这两个不同的物理场的材料，就是核心的技术难点。稀土元素钆依据其特殊的磁热特性，在居里温度（290K）附近，此材料的相对磁导率发生剧烈变化，因此可以以非常高的转化系数，将温度变化量变成磁场变化量。

除了选择特定的材料外，另外的特殊结构设计也能起到将磁场聚集在一个小的区域。实现磁场强度增大的目的，进一步提高NV色心作为磁传感的灵敏度。

实验系统

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图3：将NV色心用于温度传感的实验框图HWP：半波片 BS：分束立方 lens：聚光透镜 VNDF：可变中性密度滤光片AWG：任意波型发生器 SG:信号发生器 AMP：放大器 CI：同轴隔离器 CPC：复合抛物面聚光器 PD：光电二极管 LPF:低通滤波器 Lock-in amplifier:锁相放大器

该图是华中科技大学课题组，研究如何提高NV色心作为温度传感器的灵敏度的实验框图。该图是较为典型的采用连续波方案的NV测试系统框图。激光器发出绿色激光照射位于磁屏蔽装置内，被固定在MFC装置空隙上的系综NV色心薄片上。由亥姆霍兹线圈提供磁场，AWG或者信号发生器产生微波源，辐射到NV色心上。其中AWG受到1Khz的低频调制，调制深度为1Mhz，1Khz信号同时路由到苏黎世锁相放大器MFLI 5M设备上，作为参考信号。由锁相得到探测信号的噪声谱，经过数学关系式代换和AWG扫频，得到该系统的温度灵敏度和磁场灵敏度。实验装置放置在恒温箱里，用来控制温度，观察ODMR谱图中的凹陷的两个峰值的频率差和温度的关系得到df/dT的关系式，作为连接磁场灵敏度和温度灵敏度的桥梁。进行1Khz调制的理由在于，将信号搬离出低频噪声明显的噪声区，得到信噪比更好的信号。

实验结果

经过上述利用MFC在临界温度下相对磁导率和温度的超灵敏度，配合MFC的增强磁场强度的作用。该课题组利用上述实验系统得到了251.5nK/Hz^0.5的极低的NV色心灵敏度。自旋共振和温度的比例关系达到57.3Mhz/K的量级，对比正常情况下的74Khz/K的温度的比例关系，增强了774倍。利用NV色心实现了亚微开尔文量级的温度表征。

苏黎世锁相的优势

在这种测试极限噪声的实验中，实验设备的本身的噪声对于实验结果影响重大。因为最终的磁场灵敏度和温度灵敏度是依靠噪声频谱图上的PSD为基础换算出来的。苏黎世锁相拥有锁相放大器设备顶尖的2.5nV/Hz^0.5@>1Khz的噪声。可以最大程度减小探测设备带来的噪声干扰。还有可调的ENDB带宽功能和高动态输入范围。综合来看，锁相放大技术在该类 NV 传感系统中的核心作用在于：将微弱的频率/相位变化映射为高信噪比的电压信号，并通过窄带检测实现接近噪声极限的灵敏度表现。